CC BY
15
АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В ДИАГНОСТИКЕ ХИМИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Шубик Б.М.1, Луковцев В.П.2, Шубик Е.И.3, Бениаминова С.М.4 ©
1Ст.н.с, к.ф-м.н.; 2зав. лаб, к.т.н.; 3н.с.; 4м.н.с, к.х.н.
ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина Российской академии наук
Аннотация
Рассматривается вопрос повышения эффективности оценки состояния химических источников тока (ХИТ) путем разработки новых, ранее не применявшихся методов акустической спектроскопии, а также вопросы комплексного использования полученных результатов совместно с импедансной и шумовой диагностикой.
Ключевые слова: диагностика ХИТ, импедансная, шумовая и акустическая спектроскопия. Keywords: diagnostics of chemical current sources, impedance, noise, and acoustic spectroscopy.
1. Введение
Проблема диагностики состояния электрохимических объектов, в частности оценка степени разряженности ХИТ, является чрезвычайно актуальной. Для решения этой задачи был разработан ряд методов оценки различных параметров ХИТ, например, с использованием импедансной спектроскопии [1]. Несмотря на достигнутые успехи, повышение надежности и эффективности диагностики электрохимических объектов остается важной задачей.
Эффективность оценки состояния ХИТ можно существенно повысить за счет разработки новых подходов и комплексирования физически независимых методов диагностики. Предполагается разработать ранее не применявшиеся методы акустической спектроскопии электрохимических объектов, результаты которой могут быть использованы в комплексе с результатами импедансной, шумовой и акустической спектроскопией. Кроме того, проведение подобных исследований позволит существенно продвинуться в понимании физико - химических процессов, протекающих в ХИТ, и оценить влияние этих процессов на состояние электрохимических источников.
Известно, что процесс разряжения ХИТ сопровождается изменением физико-химической структуры объекта, химического состава его компанентов, механических и электрических характеристик, массопереносом и перераспределением масс. Эти процессы могут быть обнаружены путем анализа электрических и акустических откликов на акустические воздействия, а также детальным исследованием внутренней структуры методами ультразвуковой дефектоскопии. Можно ожидать повышения надежности диагностики ХИТ за счет совместной интерпретации данных импедансной и шумовой спектроскопии до и после акустических воздействий. Кроме того, мы предполагаем, что в процессе разряда изменяются параметры акустической эмиссии. Указанные изменения можно регистрировать и использовать для диагностики ХИТ. Разрабатываемые подходы могут быть использованы совместно с другими для более надежной отбраковки первичных ХИТ.
В рамках данного предварительного анализа мы кратко формулируем основные направления исследований, намечаем конструктивные схемы и технологию регистрации, а также эффективные методы обработки данных. Помимо этого, мы приводим краткое описание ранее разработанных методов энергетического анализа акустических волновых полей, эмиссионной томографии и дифракционной томографии с управляемым облучением, которые предполагается использовать в проводимых исследованиях.
© Шубик Б.М., Луковцев В.П., Шубик Е.И., Бениаминова С.М., 2016 г.
Следует отметить, что описываемые подходы и технические решения носят пока априорный, гипотетический характер и будут уточняться и совершенствоваться в процессе исследований.
2. Методы акустической спектроскопии в диагностике ХИТ
Рассмотрим основные направления исследований.
1. Анализ спектров откликов ХИТ на акустическое (механическое) импульсное воздействие.
Первичный химический источник тока, как механическая и электрическая система, характеризуется собственной резонансной кривой, амлитудно-частотной характеристикой и набором электрических параметров. В процессе разряжения ХИТ, эти показатели чутко реагируют на изменения физико-химической структуры, механических и электрических параметров источника, на перераспределение масс и могут использоваться для оценки состояния ХИТ.
В процессе дальнейших исследований следует разработать и опробовать различные конструктивные решения для реализации данного подхода, включая регистрацию акустических и электрических переходных процессов после импульсных воздействий. Результаты экспериментальных исследований послужат основой для выработки способов обработки данных, ориентированные на выделение характерных сигналов и интегральных параметров, пригодных для классификации объектов по степени разряженности.
2. Анализ влияния акустических (ультразвуковых) монохроматических воздействий на изменение электрических характеристик ХИТ (включая параметры импедансной и шумовой спектроскопии).
Надежность диагностики состояния ХИТ может быть повышена путем анализа и совместной интерпретации данных импедансной и шумовой спектроскопии и других электрических показателей до и после акустических воздействий. Будут проанализированы и разработаны различные конструктивные схемы, в том числе иммерсионные (погружение объекта в жидкую среду с ультразвуковым излучателем), для реализации данного подхода.
3. Контроль акустической эмиссии.
При разряде ХИТ растут флуктуации измеряемых электрических параметров. Протекающие при этом электрохимические процессы обычно сопровождаются также и акустической эмиссией. Регистрация акустической эмиссии несколькими чувствительными пьезоприемниками даст возможность не только оценить интегральную мощность эмиссии, но и локализовать зоны повышенной эмиссионной активности. Для реализации этого подхода будут применяться и совершенствоваться ранее разработанные методы энергетического анализа и эмиссионной томографии [2].
4. Применение ультразвуковой импульсной дефектоскопии для диагностики ХИТ.
Ультразвуковая дефектоскопия, основана на излучении и приеме коротких УЗ
импульсов. О состоянии объекта судят путем оценки времени прихода импульсов, отраженных от внутренних неоднородностей. В данном случае можно использовать ультразвуковой дефектоскоп УД2-П.
Для детальной диагностики внутренней структуры используется также широкополосная акустическая спектроскопия с лазерным источником ультразвука [3], например, лазерно-ультразвуковой дефектоскоп УДЛ-02М, в котором реализован режим эхоскопии.
5. Применение импульсной ультразвуковой дефектоскопии ХИТ. Данный подход основан на ранее разработанных нами методах дифракционной томографии с управляемым облучением (сейчас используются дефектоскопы с фазированными решетками, а также лазерно-ультразвуковые дефектоскопы) [4,5]. Эти методы позволяют рассчитать трехмерное изображение внутренней структуры объекта и повысить надежность диагностики за счет использования пространственных решеток (антенн) излучателей и приемников и двойной фокусировки (как излучателей, так и приемников) на внутренних точках исследуемой среды. Для решения задач контроля внутреннего состояния электрохимических источников и их
классификации по степени разряженности предполагается использовать методики энергетического анализа волновых полей, адаптивной фильтрации сигналов, эмиссионной и дифракционной томографии с управляемым облучением.
3. Заключение
В статье анализируются пути повышения эффективности оценки состояния ХИТ путем разработки новых подходов и комплексирования физически независимых методов диагностики (импедансная и шумовая спектроскопия), включая не применявшиеся ранее методы акустической спектроскопии. Решение данной проблемы позволит существенно продвинуться в понимании физико-химических процессов, протекающих в ХИТ, и оценить влияние этих процессов на состояние электрохимических источников. Для развития методов акустической спектроскопии предполагается использовать аппарат энергетического анализ волновых полей, адаптивной фильтрации, эмиссионной и дифракционной томографии.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 16-29-09375).
Литература
1. Луковцев В.П., Ротенберг З.А., Дрибинский А.В., Максимов Е.М., Урьев В.Н., Оценка степени разряженности тионилхлоридно-литиевых источников тока по их импедансным характеристикам // Электрохимия. 2005. Т. 41. № 10. С. 1234.
2. Шубик Б.М. Принципы построения самонастраивающихся процедур обработки сейсмических данных. Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. № 3, 2011, стр. 39-47. Новосибирск.
3. Шубик Б.М. Эмиссионно-томографические подходы в сейсмических исследованиях. — Журнал Экспозиция нефть-газ, № 3 (49), Наб. Челны, Татарстан, 2016, — стр. 22-24.
4. Аксенов В.Н., Афанасьев Л.В., Черепецкая Е.Б. Визуализация внутренней структуры углеродных композитов методом лазерной ультразвуковой спектроскопии — Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) №3, 2015, Изд-во Горная книга, Москва. — стр. 177-180.
5. Метод фазированной решетки, Научно-технический центр Эксперт, Неразрушающий контроль. — /[Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ntcexpert.ru/component/content/ article?id=560:metod-fazirovannoj -reshetki, свободный
